高標清同播中的視頻質(zhì)量檢測方法研究

應躍波

(浙江廣播電視集團，浙江 杭州 310005)

高標清同播中的視頻質(zhì)量檢測方法研究

應躍波

(浙江廣播電視集團，浙江 杭州 310005)

在高標清系統(tǒng)中,視頻信號需要模式轉(zhuǎn)換和編解碼處理，針對系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)中視頻信號的損傷，研究采用主客觀評價結(jié)合的方式對視頻質(zhì)量進行綜合評定。通過對不同品牌的上下變換器和編解碼器輸出的視頻質(zhì)量進行比較和分析，了解各品牌設(shè)備在信號處理中的優(yōu)缺點，為今后系統(tǒng)應用及設(shè)備選型提出可靠的建議。

高標清; 編碼; 視頻質(zhì)量; PQR

近年來，越來越多的電視頻道進行了系統(tǒng)升級改造，電視播出逐步進入了從標清向高清過渡的階段，播出系統(tǒng)到傳輸系統(tǒng)之間的信號上下變換及編碼傳輸質(zhì)量直接影響著整個系統(tǒng)鏈路的播出質(zhì)量和觀眾在家中的視覺感受。為了更好地分析研究高標清同播環(huán)境中信號格式轉(zhuǎn)換及視頻編碼后的圖像質(zhì)量，為今后系統(tǒng)建設(shè)中的設(shè)備選型提供主客觀的視頻質(zhì)量測試數(shù)據(jù)，筆者研究設(shè)計了一套視頻質(zhì)量檢測方法，針對一些實際應用環(huán)境進行了圖像質(zhì)量分析和檢測。

在數(shù)字高標清同播階段中，浙江廣電集團規(guī)定標清信號經(jīng)上變換后供高清頻道播出的，上變換幅型模式常規(guī)為加邊方式；高清信號經(jīng)下變換后供標清頻道播出的，常規(guī)為切邊方式；傳輸系統(tǒng)為適應機頂盒用戶的收視習慣,對上變換幅型模式采用拉伸方式[1]。各頻道的高標清信號在電視播出中心從高標清切換臺經(jīng)上下幅型變換等處理后，經(jīng)切換進入下一級傳輸中心，傳輸中心對接收的高標清信號進行編碼后，通過主干網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。其中，對高清信號采用H.264進行編碼，對于標清信號編碼方式則采用MPEG-2。播出系統(tǒng)到傳輸系統(tǒng)之間的信號路由如圖1所示。

1 測試方法和檢測內(nèi)容的設(shè)計

在上下變換和壓縮編碼過程中，圖像信號的質(zhì)量將會受到損傷，但對其損傷程度如何衡量，對播出效果的影響程度如何，必須依靠數(shù)據(jù)來說明問題。

參考行業(yè)內(nèi)針對視頻質(zhì)量的評價辦法，筆者采用主觀評價與客觀檢測相結(jié)合的方式對特定的圖像序列進行綜合評定[2]。由于目前國標高清數(shù)字電視主觀評價用測試圖像還沒有正式發(fā)布，所以參考使用歐洲廣播聯(lián)盟(EBU)的測試圖像，從中挑選了3個序列——Duck，Park，Tree，作為測試序列進行主客觀評價[3]。在客觀檢測中，采用圖像質(zhì)量分析儀對處理過的圖像和源圖像進行對比檢測。此外，根據(jù)相關(guān)行業(yè)標準，還對各品牌設(shè)備的輸出接口特性進行了檢測，這對于數(shù)字視頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也不可缺少。

圖1 高標清同播視頻系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 數(shù)字接口特性測試

數(shù)字接口特性是評價數(shù)字電視系統(tǒng)、設(shè)備的接口特性及通道傳輸特性的主要指標，包括抖動、信號幅度、上升時間、下降時間等，用來檢驗串行數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量。整個信號格式轉(zhuǎn)換、編解碼傳輸環(huán)節(jié)的數(shù)字接口特性必須滿足《GY/T 157—2000 演播室高清晰度電視數(shù)字視頻信號接口》、《GY/T 243—2010標準清晰度電視數(shù)字視頻通道技術(shù)要求和測量方法》和《GY/T 212—2005標準清晰度數(shù)字電視編碼器、解碼器技術(shù)要求和測量方法》等行業(yè)標準[4-5]。

筆者對播出傳輸環(huán)節(jié)中的不同廠商的上下變換器、編解碼器的高標清數(shù)字接口特性、ASI輸出接口特性進行了檢測，結(jié)果均符合國家和行業(yè)標準的要求。

1.2 圖像質(zhì)量客觀分析(PQR值)

圖像質(zhì)量分析系統(tǒng)采用基于人類視覺系統(tǒng)的概念，提供了一整套可重復的、并與主觀人眼視覺評估十分接近的客觀圖像質(zhì)量測量。依據(jù)圖像質(zhì)量分析儀的工作原理，用PQR值來衡量3種測試序列Park，Duck，Tree的測試信號質(zhì)量。PQR<3 時，圖象質(zhì)量很好；PQR為3～5，說明有損傷，但難于察覺；PQR在5～10間，圖像有明顯損傷；PQR>10圖像損傷較明顯。

根據(jù)實際應用，對不同廠商的上下變換器和高標清編解碼器以不同的組合方式對其輸出的圖像質(zhì)量進行檢測，設(shè)計了以下5種模式的圖像質(zhì)量對比方案：

1)經(jīng)上變換器的圖像質(zhì)量檢測

在加邊和拉伸模式下，采用源標清序列輸出給上變換器；在信箱模式下，采用源高清序列經(jīng)過圖像質(zhì)量分析儀內(nèi)部下變換輸出標清信號給上變換器，上變換后得到的高清圖像與源高清圖像比較。在加邊模式下，以標清模式比較；在信箱和拉伸模式下，以高清模式比較。

2)上變換器后經(jīng)高清編碼器的圖像質(zhì)量檢測

在加邊和拉伸模式下，采用源標清序列輸出給上變換器；在信箱模式下，采用源高清序列經(jīng)過圖像質(zhì)量分析儀內(nèi)部下變換輸出標清信號給上變換器，上變換后再經(jīng)過高清編解碼器，并配以不同的碼率，得到的高清圖像與源高清圖像比較；在加邊模式下，以標清模式比較；在信箱和拉伸模式下，以高清模式比較。

3)經(jīng)下變換器的圖像質(zhì)量檢測

在所有下變換模式下，采用源高清序列輸出給下變換器，下變換后得到的標清圖像與源標清圖像以標清模式比較。

4)下變換器后經(jīng)標清編解碼器的圖像質(zhì)量檢測

在所有下變換模式下，采用源高清序列輸出給下變換器，下變換后再經(jīng)過標清編解碼器，并配以不同的碼率，得到的標清圖像與源標清圖像以標清模式比較。

5)經(jīng)高標清編碼器的圖像質(zhì)量檢測

采用源標清序列輸出給標清編碼器，以不同碼率編碼后經(jīng)標清解碼器得到的標清圖像與源標清圖像以標清模式比較；采用源高清序列輸出給高清編碼器，以不同碼率編碼后經(jīng)高清解碼器得到的高清圖像與源高清圖像以高清模式比較。

1.3 主觀評價

在圖像質(zhì)量測試中，觀察者的主觀評價是最常用、也是最直接的圖像質(zhì)量評價方法，由觀察者根據(jù)事先規(guī)定的評價尺度或自己的經(jīng)驗對圖像做出判斷和評價。也可提供一組標準圖像作為參照系，幫助觀察者對圖像質(zhì)量做出合適的評價。

為了獲取主觀評價數(shù)據(jù)，筆者利用圖像分析儀的測試圖像序列Park，Duck，Tree制作了高標清共50組對比視頻。主觀測試的內(nèi)容和客觀測試的內(nèi)容相對應，利用評審室3個65 in(1 in=2.54 cm)大屏，以原始序列視頻為參照，對比經(jīng)過不同上下變換器或編解碼器后的圖像，以同樣的畫面和畫幅播放進行主觀評價打分，每組視頻播放2遍。

評委由不同年齡、不同性別的30位人員組成，工作崗位有剪輯、技術(shù)、攝像、編導等，專業(yè)技術(shù)人員與非專業(yè)技術(shù)人員各占一半，組織大家針對圖像細節(jié)、亮度層次、色彩還原、運動特性等方面對大屏播放的圖像進行不記名主觀評價打分。

評分標準參考CCIR建議書500/3的評分標準：5分：覺察不到；4分：可覺察到，但不明顯，不使人討厭；3分：有輕微損傷，使人略感討厭；2分：有明顯損傷，使人討厭；1分：損傷很明顯，非常討厭。

以原始圖像為5分滿分，其余2組測試視頻根據(jù)個人主觀評價打分結(jié)果，去除最高分和最低分，平均后得到最終主觀評價分。

2 測試結(jié)果比較和分析

2.1 不同品牌上下變換器在變換過程中的圖像質(zhì)量

在這個環(huán)節(jié)的測試中，筆者選取了A、B兩種品牌的上下變換器，測試了切邊/加邊、信箱、壓縮/拉伸3種模式下高標清變換后的圖像質(zhì)量。其中圖像序列Tree的上下變換器客觀測試數(shù)據(jù)見表1，主觀評價得分見表2。

表1 不同品牌變換器在上下變換過程中PQR值

表2 不同品牌變換器在上下變換器主觀評價得分

從數(shù)據(jù)可以看出，高標清信號經(jīng)上、下變換后信號質(zhì)量有較大損傷，下變換后的切邊模式對信號的損傷相對較小，信箱模式對信號的損傷相對較大；上變換后的信箱模式對信號的損傷相對較小，加邊模式對信號的損傷相對較大；不同品牌設(shè)備在不同的序列中測試數(shù)據(jù)各有優(yōu)劣。

2.2 不同品牌高標清編碼器在不同碼率下的測試對比

在傳輸系統(tǒng)中，不同的編碼碼率對信號的傳輸質(zhì)量有著重要影響，同樣，不同品牌的編碼器由于各個廠家的具體算法不同，對編碼后圖像質(zhì)量的呈現(xiàn)也存在差異。筆者選取了傳輸系統(tǒng)中常用的編碼碼率，對不同品牌高標清編碼器在不同碼率下的測試數(shù)據(jù)進行分析。其中以序列Tree為例，高標清客觀測試數(shù)據(jù)見表3，主觀評價得分見表4。

表3 不同品牌高標清編碼器在不同碼率下的PQR數(shù)據(jù)

表4 不同品牌高標清編碼器在不同碼率主觀評價得分

從測試數(shù)據(jù)中可以看出， C品牌高標清編碼設(shè)備的編碼質(zhì)量略優(yōu)于D品牌編碼設(shè)備。

2.3 同一下變換器后接不同標清編碼器,選擇不同變換模式、不同碼率時的圖像質(zhì)量

為對比傳輸域不同品牌標清編碼器在各種變換模式下選取不同碼率時的編碼質(zhì)量，選擇了同一下變換器(品牌A、B)后接C、D品牌編碼器，以Duck和Park序列為例，選取3種變換模式在固定碼率6 Mbit/s下進行比較，分析標清編碼器的編碼質(zhì)量。客觀測試數(shù)據(jù)見表5，主觀評價得分見表6。

表5 同一下變換器接不同標清編碼器不同碼率PQR數(shù)據(jù)

表6 同一下變換器接不同標清編碼器不同碼率主觀評價得分

從測試結(jié)果來看，C品牌的表現(xiàn)總體略好于D品牌，且原始圖像序列經(jīng)過變換、編碼壓縮之后，圖像質(zhì)量比單獨的變換或單獨的編碼壓縮，質(zhì)量都有所下降。

同一品牌編碼器在不同測試序列下測試結(jié)果也不盡相同，說明不同品牌的編碼器算法存在差異，針對性不同。

2.4 同一上變換器后接不同高清編碼器,選擇不同變換模式時的圖像質(zhì)量

與2.3小節(jié)相同，也選擇了同一上變換器(品牌A、B)后接不同品牌編碼器，以Duck和Park序列為例，選取在3種變換模式在固定碼率11 Mbit/s下進行比較。客觀測試數(shù)據(jù)見表7，主觀評價得分見表8。

表7 同一上變換器接不同高清編碼器不同碼率PQR數(shù)據(jù)

表8 同一上變換器接不同高清編碼器不同碼率主觀評價

從測試的數(shù)據(jù)看出，同一變換器下，C品牌總體表現(xiàn)好于D品牌。

綜合所有測試數(shù)據(jù)，標清信號上變換后的信號質(zhì)量損傷，會進而影響到后續(xù)的高清編解碼信號質(zhì)量，與高清信號直接編解碼相比存在較大差距。在碼率選取方面，同一模式下，不同的碼率對信號編碼質(zhì)量有較大的影響，但往往實際應用中經(jīng)常受信號傳輸帶寬所限，就需要根據(jù)實際情況在圖像質(zhì)量與帶寬之間進行取舍和折中。此外，評委們還對任意組合的A、B變換器與C、D高標清編碼器，針對不同變換模式、不同編碼碼率的圖像進行了對比主觀評分。主觀評價的結(jié)果與客觀測試的情況基本相符。

在客觀檢測中值得注意的是：1)由于信號經(jīng)過上下變換器,對原始圖像進行切邊、加邊等處理后，輸出圖像與原始圖像序列存在像素上的位差，所以導致一些測試值偏高，需要對測試軟件的功能選項設(shè)置進行調(diào)整，對測試數(shù)據(jù)要進行合理的評估和篩選；2)在測試編碼器時配合使用了同一品牌的解碼器，用于把編碼器編碼輸出信號還原成基帶信號和原始圖像序列進行對比。

3 結(jié)束語

面對不同的信號源，如何提升高標清同播期間信號圖像質(zhì)量是筆者今后一段時期內(nèi)要著重考慮的問題。通過大量的圖像檢測和主觀評價數(shù)據(jù)，在播出域和傳輸域，全面了解系統(tǒng)中圖像經(jīng)過不同變換模式和不同碼率的真實質(zhì)量，有利于在播出中選取適當?shù)哪Ｊ睫D(zhuǎn)換信號；在傳輸中綜合考慮當前有線前端帶寬資源緊張的狀態(tài)，根據(jù)編碼器輸入信號源的性質(zhì)來源，選取適當?shù)拇a率及編碼格式進行編碼傳輸；在設(shè)計方案中選擇合適的產(chǎn)品，實現(xiàn)信號格式轉(zhuǎn)換和編碼傳輸最優(yōu)化，力求最好的圖像質(zhì)量。

[1] 王國忠,程紅陽,謝百治,等.高清與標清視頻之間的上下變換[J].電視技術(shù),2013,37(14)；39-42.

[2] 楊勇強，梁志強. 高、標清上下變換器選用中的若干問題[J]. 現(xiàn)代電視技術(shù)，2007(1)：60-66.

[3] ITU-R BT.500-11，Methodology for the subjective assessment of the quality of television picture[S].2002.

[4] GY/T 157—2000，演播室高清晰度電視數(shù)字視頻信號接口[S].2000.

[5] GY/T 212—2005，標準清晰度數(shù)字電視編碼器、解碼器技術(shù)要求和測量方法[S].2005.

Research on Methodology of Video Quality Measurement in HD&SD Broadcasting

YING Yuebo

(ZhengjiangRadio&TVGroup，Hangzhou310005，China)

In HD&SD system, video signal needs processing such as pattern transformation, encoding and decoding. In the view of the loss during video signal processing, the combination of subjective and objective evaluation is used for comprehensive assessment of the video quality. With comparison and analysis of the video quality from up/down converter and encoder/decoder output, advantages and disadvantages of different devices in signal processing can be understood and useful suggestions can be made for system application and device choosing afterwards.

HD&SD；encoding；video quality；PQR

【本文獻信息】應躍波.高標清同播中的視頻質(zhì)量檢測方法研究[J].電視技術(shù),2015，39(13).

TN949.6

A

10.16280/j.videoe.2015.13.022

責任編輯：閆雯雯

2015-04-17

應躍波(1960— )，高級工程師，主要從事廣播電視測試工作。